JP4643891B2 - パラレル光学系接続装置用の位置決め方法 - Google Patents

パラレル光学系接続装置用の位置決め方法 Download PDF

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    • G02B6/43Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パラレル光学系接続装置に関し、更に詳しくはファイバー光学エンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバーによる信号伝送においては、光即ち光子からなる光学信号から電気信号への変換と電気信号から光学信号への変換が必要である。
【0003】
この光学信号と電気信号の変換用に現在市販されている大部分の製品においてはディスクリート部品の組み合わせが利用されている。これらのディスクリート部品は能動部品と受動部品に分かれており、トランスミッタ用の能動部品では、発光ダイオード又はレーザーなどのディスクリート発光装置を使用して電気信号を光学信号に変換しており、通常、レーザーはエッジ発光又は面発光タイプの半導体レーザーである。又、レシーバ用の能動部品では、光センサーを使用して光学信号を電気信号に戻している。一方、受動部品とはディスクリートのレンズ部品のことであり、これには一般的な屈折光学系(屈折オプティクス)や回折光学系(回折オプティクス)が含まれる。ファイバー光学におけるレンズ部品は、コンピュータを使用して生み出された非常に高度な特性を備えており、通常、「コンピュータ生成」光学系と呼ばれている。又、通常集積回路の形態の高性能な電子機器も必要であり、これらにも能動部品と受動部品がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
現在の設計はディスクリート部品の集合体になっているため、様々な部品を含む複数のパッケージが存在する。このため、パッケージによって生成される寄生インダクタンスや寄生容量の問題が発生し、この結果、性能が制約される。
【0005】
更に、すべての部品は、非常に正確にモジュールに組み立てる必要がある。通常、大量生産環境において、数ミクロンより良い精度ですべての部品を位置決めし、取り付ける必要がある。従って、これらのモジュール製造(及び設計)は極めて困難であると共に時間がかかり、生産性が低い。
【0006】
現在、最先端のファイバー光学装置の性能は、シングルシリアルチャネルで10ギガビット/秒に達しているが、これには非常に高価且つ特殊な設計が必要とされ、大量生産には不向きである。
【0007】
最近、パラレル光学系と呼ばれる、単一のファイバー光学モジュールに複数チャネルの光学経路を収容した製品の新しい市場が出現している。現在の製品は、すべてシングルチャネルの受信専用、送信専用、又は単一モジュール内での送受信である。この新しいパラレル光学系では、シングルチャネルモジュールと同じ物理スペースに最大12チャネルが必要とされており、従来の設計及び製造技法では、十分な製造容易性を維持してこの物理スペースの難問を十分に解決できないことが明らかになり、障害となっている。生産性が低いということは、最終製品のコストが極めて高くなるということである。
【0008】
長い間、これらの問題に対する解決策が求め続けられているが、まだ解決されていない。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光学基板及び光学系を含む光学部品を備えたファイバー光学エンジンとその製造方法を提供するものである。光信号と電子信号間の変換を行う光電子(opto-electronics)部品を光学基板に固定し、光学系と受動的に位置決めする。そして、この光電子部品を制御する集積回路を光学基板に固定し、電子基板を光学部品に固定する。このファイバー光学エンジンは、市販の資材、機器、及び大量生産プロセスを使用して製造されるが、高ギガヘルツ(GHz)帯の周波数で稼動する能力を有している。又、コンパクト化が可能であると共に、必要な位置決め作業が従来のシステムよりも少ない。
【0010】
本発明の実施例には、前述の利点のほかに/又はそれを代替するその他の利点を備えているものもある。以下、添付の図面を参照しつつ、詳細な説明によってこれらの利点を当業者に対して明らかにする。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1を参照すれば、本発明によるファイバー光学エンジン10の最終組立品の等角図が示されている。このファイバー光学エンジン10は、光学部品12、集積回路(トランスミッタ、レシーバ、又はトランシーバ)14、光電子部品16、電子基板18、及び放熱板20を備えている。これら光学部品12、集積回路14、及び光電子部品16に対しては「受動的位置決め」が行われるが、これは、ファイバー光学エンジン10の様々な部品の中で適切に位置決めされた光路22〜26が形成されるよう、組立の際にこれらの部品を位置決めするということであり、この「受動的位置決め」という用語は、組立の後に機械的又は電子的に部品を位置決めする「能動的位置決め」と対照をなすものである。
【0012】
組み立てられると、光路22〜26は、光電子部品16から光学部品12に到来する光子の経路となる光路を規定する。このビームは経路23と経路24に分割され、一方は光電子部品16に到達し、もう一方は反射されて集積回路14に到達する。これにより、従来の設計及び製造方法では現在まで実行不可能であったが、完結した光路が形成され、集積回路14による光電子部品16の動作制御が可能になる。
【0013】
次に図2を参照すれば、本発明による光学部品12の等角図が示されている。この光学部品12は、上部水平面32と底部水平面34をそれぞれ備えた透明な光学基板30を含んでいる。
【0014】
本出願において使用されるこの「水平」という用語は、透明な光学基板30の方向に関係なく、この基板の平面即ち表面に対して平行な平面として定義されるものである。一方、「垂直」という用語は、この定義された「水平」に対して垂直の方向を指すものである。又、「上」、「側」、「高い」、「低い」、「上方」、「下方」などの用語は、透明な光学基板30の方向に関係なく、この基板の上部面である平面即ち表面に対して定義されるものである。尚、わかりやすくするために、異なる実施例の類似の構造に同じ符号を割り当てているが、各々の実施例は、本発明の一例として独立したものである。
【0015】
透明な光学基板30の上部水平面32上には、光学系36と上部ミラー38が存在しており、底部水平面34上には、底部ミラー40が存在している。又、底部水平面34上には、共晶はんだバンプ42〜47も存在している。はんだバンプ43と44には、導電性の集積回路トレース50が接続され、はんだバンプ45〜47には、導電性の集積回路トレース52が接続される。
【0016】
透明な光学基板30は、ガラス、石英、サファイア、又はシリコンなど、ファイバー光学エンジン10が動作する波長を透過させる素材であればなんでもよい。上部ミラー38及び底部ミラー40は、半導体ウエハ処理に類似のプロセスによってエッチング又は蒸着することができる。同様に、光学系36も透明な光学基板30内/又は上にエッチング又は蒸着可能である。これらのミラーと光学系を形成する様々な技法は当業者には周知であり、例えば、屈折及び回折レンズ並びにレンズスタックを上部水平面32及び底部水平面34上に形成することができる。又、上部ミラー38及び底部ミラー40を屈折レンズとして形成して光路22に対する制御能力を改善することも可能である。
【0017】
次に図3を参照すれば、本発明による組立の中間段階におけるいくつかの部品が示されている。尚、この光学部品12は、底部水平面34が上になった状態で示されている。
【0018】
光電子部品16は、はんだバンプ42及び43に接合する位置にあり、この光電子部品16は、ファイバー光学エンジン10のそれぞれの特定アプリケーションに応じて、いつくかの異なる種類のものであってよい。即ち、発光デバイス又は受光デバイスのいずれか、或いはそれらの両方であり、これらの機能が光電子部品16に発光デバイス54及び受光デバイス56として概略的に示されている。発光デバイス54は、発光ダイオードのアレイ、或いは、面発光又はエッジ発光の固体レーザーなどである。一方、受光デバイス56は、PN接合などのフォトダイオードなどである。基本的に、発光デバイス54は、トランスミッタの一部として電気信号を光信号に変換し、受光デバイス56は、レシーバの一部として光信号を電子信号に変換する。
【0019】
同様に、集積回路14が透明な光学基板30上のはんだバンプ44〜47に接合されるべく配置されている。この集積回路14は、レシーバ、トランスミッタ、及び/又はコントローラの半導体集積回路などである。この集積回路14の上部面には、PN接合などのモニタダイオードアレイ15が配置されており(図1に示されている)、これらは光感応性であり、光子を電子に変換する。
【0020】
光学系36は、特殊設計の回折光学部品であるが、この技術は当事者には周知である。この光学系36は回折光学部品であり、主経路を通過するビームを分割し、そのエネルギーの小さな部分を方向転換して基板内に戻し、それがミラーによって反射される。この反射は複数回可能であり、上部ミラー38及び底部ミラー40は、透明な光学基板30内を伝播する際のビームの広がりを防止する集束レンズを内蔵することもできる。このビームは、最終的にモニタダイオードアレイ15に向かうが、このモニタダイオードアレイは、集積回路14内に一体化されたPN接合などであり、この部分で光子が電子に変換される。そして、この情報を使用し、トランスミッタ即ち発光デバイス54の動作を制御する。このフィードバックループにより、観測した光子の強度、即ち、光学エネルギーに応じて、駆動信号の振幅、その持続時間並びに振幅を変更することができる。
【0021】
このモニタダイオードアレイ15は、示されているように集積回路14内に一体化することも可能であるが、それ自体を別の部品とし、自身の集積回路トレースによって透明な光学基板30に別途接合してもよい。
【0022】
前述の実施例における光学部品12に対する光電子部品16と集積回路14の接合は、これらの部品上の接触パッドと透明な光学基板30上の共晶はんだバンプのセルフアライメントによって行われる。非常に正確な位置決めは当初不要であり、この組立品をリフロー装置に通す際にハンダバンプ42〜47の温度が融点を超え、溶けたはんだの表面張力によって透明な光学基板30との正しい位置決め位置に光電子部品16及び集積回路14が引っ張られる。
【0023】
図4を参照すれば、本発明の別の実施例による接合用の位置にある部品が示されている。透明な光学基板30上に、異方伝導性接着剤(anisotropically conductive adhesive:ACA)層が形成されている。このACAは、ステンシルで刷り出すか又はフィルムを型で打抜いてACA48及び49として作成し、光電子部品16の形状ではんだバンプ42及び43の間、及び集積回路14の輪郭に沿ってはんだバンプ44及至47の間に配置する。そして、ACA素材の種類に応じ、熱又は紫外線を加えてこれらのACA48及び49を硬化させる。尚、様々な部品の熱膨張係数が異なるため、熱硬化よりも室温硬化のほうが光学的なずれが少なく、紫外線硬化のほうが望ましい。
【0024】
この実施例における位置決めは、指標(fiducial,一般的な半導体位置決め構造であり、図示されていない)によって行われ、これらの指標は、位置決めする部品の表面に配置する。そして、ACA48及び49の硬化中に負荷を加える。
【0025】
図5を参照すれば、本発明の別の実施例において接合用に配置された部品が示されている。この図には、光学部品12’、集積回路14’、及び光電子部品16’が示されている。
【0026】
集積回路14’と光電子部品16’は、光学部品に接する側に形成されたワイヤバンプ60〜63を備えている。これらのワイヤバンプ60〜63は、ボールボンドからテールワイヤをとり、これを切断及び平坦化するワイヤバンプ形成プロセスによって形成する。
【0027】
透明な光学基板30の底部水平面34上に、紫外線又は熱硬化接着剤層を形成する。この接着剤層は、接着剤ストリップ66、集積回路トレース50の一端上の接着剤ストリップ68、及び集積回路トレース50の他端と集積回路トレース52上の接着剤壁70から構成されている。
【0028】
製造プロセスにおいては、集積回路14と光電子部品16をフリップチップ装着し、透明な光学基板30に対して負荷をかけたまま保持する。透明な光学基板30に対する集積回路14と光電子部品16の位置決めは、合わせ面上の指標となる位置決めマーク又は構造によって行われる。接着剤ストリップ66及び68と接着剤壁70は、部品を結合した状態で硬化させる。硬化時の接着剤の収縮により、透明な光学基板30上の集積基板トレースと接触するようにワイヤバンプに対して力が加わる。
【0029】
次に図6を参照すれば、組立を完了した本発明による図1のファイバー光学エンジン10の概略断面図が示されている。
【0030】
集積回路14と光電子部品16が接合された光学部品12は電気基板18に固定されており、この基板はその面上に導電性トレース72がプリントされた柔軟性のあるテープなどである。光学部品12は、その縁部の下に配置されるよう電気基板18上にパターン化された硬化性異方伝導性接着剤74によって電気基板18に固定されている。
【0031】
発生する熱を除去し部品を冷却するよう、集積回路14及び光電子部品16と接触した状態で放熱板20が電気基板18に固定されている。
【0032】
動作の際には、導電性トレース72で受信した信号が異方伝導性接着剤又ははんだバンプ74を通じて集積回路トレース52に伝達される。そして、この信号は集積回路トレース52と各種はんだバンプ45〜47を通じて集積回路14に伝達される。この信号は集積回路14で処理され、はんだバンプ44、集積回路トレース50、及びはんだバンプ43を介して光電子部品16に供給され、この光電子部品がトランスミッタとして機能する場合には、この電気信号を透明な光学基板30内の光路22を伝播する光信号に変換する。
【0033】
光学系36において、大部分の光は光路23に向かい、一部が光路24に沿って底部ミラー40に反射される。底部ミラー40は、この光を上部ミラー38に対して光路25に向けて反射させ、上部ミラーがその光を光路26に向けて集積回路14のモニタダイオードアレイ15に反射させる。このモニタダイオードアレイ15により、集積回路14による光電子部品16のフィードバック制御が可能になっている。
【0034】
ファイバー光ケーブルからファイバー光学エンジン10に到来する光は、光学系36から入射して光路22を通って光電子部品16に向かい、この光電子部品がレシーバとして機能して光信号を電気信号に変換し、この電気信号がはんだバンプ43、集積回路トレース50、及びはんだバンプ44を通過する。この信号が集積回路14で処理され、はんだバンプ45〜47を経由して集積回路トレース52に送り出される。そして、この信号を異方伝導性接着剤74が集積回路トレース52から電気基板18上の導電性トレース72に伝送する。
【0035】
集積回路14は、モニタダイオードアレイ15によって光電子部品16の複数のチャネルの光出力を継続的に調整する。透明な光学基板30の上部ミラー38及び底部ミラー40を使用し、光ビームの一部を光電子部品16からモニタダイオードアレイ15にリダイレクトすることによって信号のフィードバックを促進しているのである。
【0036】
当業者には明らかなように、ボンドワイヤではなく、はんだバンプによって相互接続を短くした結果、ボンドワイヤ間の寄生容量が減少し、ファイバー光学エンジンが高ギガヘルツ帯で動作可能となる(即ち、ボンドワイヤがないと電磁放射が抑制される)。
【0037】
本発明の主な利点は、すべての主要部品の位置決めを受動的に実行できることにある。又、使用するすべての機器と資材は市販されており、同様に組立プロセスも一般に広く使用されているものである。
【0038】
又、当業者には明らかなように、光電子部品16と集積回路14は、ウエハサイズの透明な光学基板30上で稼動させることができる。このウエハスケールの製造により、製造時のスループット(処理能力)が向上する。
【0039】
最後に、ファイバー光学エンジン10の予備試験を実行できるため、ウエハレベルでありながら最終製品のコストが低下する。即ち、ファイバー光学エンジン10の通電テストを実施し、正常な装置のみを使用して最終的なファイバー光製品を製造することができる。
【0040】
一実施例の製造環境においては、光学部品12から放熱板20までの部品を順番に装着する。
【0041】
まず、アンダーフィル(Under−filling)プロセス又は接着(Glue−down)プロセスと呼ばれるものを使用し、集積回路14及び光電子部品16を光学部品12上に固定するために、集積回路14及び光電子部品16の縁部に沿ってポリマーベースの接着剤を施す。
【0042】
2番目に、光学部品12に集積回路14と光電子部品16をフリップチッププロセスによって接合するか、或いはダイ接着する。
【0043】
3番目に、集積回路14、光電子部品16、及び光学部品12の複合構造を異方伝導性接着剤74を使用して電気基板18上にダイ接着するが、この電気基板は、PCボード、柔軟な積層板、セラミック素材など、導電性トレースを配置して複合構造から外部に電子を伝達できるものであればどのような基板であってもよい。
【0044】
4番目に、放熱板20を放熱手段として集積回路14および光電子部品16に装着する。
【0045】
既存の方法に比べて本発明が優れているのは、(1)効率がよく、(2)占有する容積が非常に小さく、(3)位置決めが2回しかない(即ち、実行を要する光学的な位置決め段階が、主に光電子部品16の光学部品12への取り付けとこの後の集積回路14の取り付け又はダイ接着だけである。これらはすべてミクロンレベルの精度で行われ非常に高度な取付精度が要求されるものであるため、最終的なコストが非常に安価になる)という点である。
【0046】
光電子部品16は、直線状のアレイだけでなく、同一又は異なる周波数で動作する発光デバイスの多次元アレイであってもよい。
【0047】
組立は、ウエハスケールレベルで実行可能である。即ち、ウエハサイズの光学部品12を使用し、半導体部品をウエハレベルでダイ接着し、それをカプセル化してウエハレベルで試験し、不良箇所をマーキングし、標準的なウエハと同様に処置し、切断した後に、後続の組立段階を実行する。
【0048】
図7を参照すれば、本発明による別の実施例のファイバー光学エンジン100の最終組立品の断面図が示されている。このファイバー光学エンジン100は、光学部品102、集積回路104、光電子部品106、回路基板112、電気基板18、及び放熱板120を備えている。回路基板112、集積回路104、及び光電子部品106に対しては、「受動的位置決め」を行うが、これは、光学部品102と位置決めしたときにファイバー光学エンジン100の様々な部品の中で光路22〜26が正しく位置決めされるよう、組立の際にこれらの部品を位置決めすることを意味している。
【0049】
回路基板112は、シリコン、サファイア、又はセラミックであってよい。この回路基板112は、光路22〜26内の光の波長を透過させる電気トレースを含んでいる。この回路基板112が光路22〜26内の光の波長を透過させない素材の場合には、機械的なプロセス或いは化学的なウェット又はドライエッチングプロセスによって回路基板112を貫通する開口113を作成する。そして、集積回路104と光電子部品106を受動部品などのその他の部品114と同様に回路基板112上に取り付ける。次に、透明な光学基板30を位置決めし、回路基板112に接合する。この方法の1つの利点は、図3〜図5に示されているハンダバンプ42〜47と集積回路トレース50及び52が不要になるため、透明な光学基板30の製造設計が非常に簡単になることである。
【0050】
回路基板112は、装着パッドにより、集積回路104に加え能動及び受動部品と共に複数レイヤの相互接続を提供する標準的なシリコンウエハであってよい。例えば、フィルタ、チャージポンプ、電圧レギュレータなどは、回路基板112を共通の電気基板として使用し一体化することができる。この結果、ファイバー光学エンジン100は、完全なファイバー光システムになり、ウエハスケールレベルで製造可能であると共に、機能的にそれ自体で完結したものになる。
【0051】
光電子部品106(トランスミッタ、レシーバ、及び/又はトランシーバ)には、面発光光源ではなくエッジ発光光源108のトランスミッタを使用できる。エッジ発光光源108も面発光部品と同様に装着するが、ビームを90度屈折させるプリズム又はミラー110を利用すれば様々な種類の発光デバイスが使用可能になる。ミラー110は、ポリマー或いは透明な光学基板30又は回路基板112上に直接エッチングされたミラーであってよい。
【0052】
更に、可動及び/又は可変ミラーなどのマイクロ機械部品116を回路基板112内/又は上に一体化し、光路22の能動的な動きを可能にして位置決めを変更したり、光学的なフィードバックによって光ファイバーに対する光のずれをリアルタイムで補償したり、或いは、電気的に調整又は操作可能なミラーを使用し、光ファイバー間で光を移動させてファイバー光学エンジン100をスイッチとして使用することもできる。
【0053】
以上、特定の最良の形態を参照して本発明を説明したが、当業者には、前述の説明から、本発明には多数の代替、変更、及び変形が可能であることが明らかであろう。従って、それらの代替、変更、及び変形も本出願の請求項の精神と範囲に含まれるものであり、本明細書に規定された、又は添付の図面に示されたすべての内容は、例示用のものにすぎず、本発明を限定しないものと解釈されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるファイバー光学エンジンの最終組立品の等角図である。
【図2】本発明による光学部品の等角図である。
【図3】本発明による組立の中間段階における部品の図である。
【図4】本発明の別の実施例による接合位置に配置された部品の図である。
【図5】本発明の別の実施例における接合用に配置された別の部品の図である。
【図6】本発明より組み立てられたファイバー光学エンジンの概略断面図である。
【図7】本発明の別の実施例によるファイバー光学エンジンの最終組立品の断面図である。
【符号の説明】
10、100 ファイバー光学エンジン
12、102 光学部品
14、104 集積回路
15 光感応性デバイス
16、106 光電子部品
30 光学基板
18 電気基板
20、120 放熱板
36 光学系
42〜47 はんだバンプ
50、52、72 導電性トレース
60 ワイヤバンプ
66、68、70、74 異方伝導性接着剤
110 ミラー
112 回路基板

Claims (10)

  1. 光学基板と光学系を備えた光学部品を提供するステップと、
    光信号と電気信号との間での変換を行う光電子部品を提供するステップと、
    前記光電子部品を制御する集積回路を提供するステップであって、前記光電子部品を制御するためのフィードバックを可能にする光感応性デバイスを提供することを含む、ステップと、
    光路の能動的な動きを可能にして位置決めを変更し、又は光のずれを補償するマイクロ機械部品を提供するステップと、
    前記光電子部品を前記光学系に対して受動的に位置決めするステップと、
    前記光電子部品を前記光学基板に固定するステップと、
    前記集積回路を前記光学基板に固定するステップと、
    電気基板を提供するステップと、
    前記電気基板と前記光学部品とを固定するステップと
    を有してなる、ファイバー光学エンジンを製造する方法。
  2. 前記集積回路を前記光学系に対して受動的に位置決めするステップを含む請求項1記載の方法。
  3. 前記光学部品を提供するステップは、前記光学系に対して位置決めされた状態のミラーを前記光学基板に提供するステップを含む請求項1記載の方法。
  4. 前記光学部品を提供するステップは、導電性トレースおよびバンプを前記電気基板上に形成して、受動的に位置決めされた状態で前記光電子部品および前記集積回路を前記光学部品に接続するステップを含むものである、請求項1記載の方法。
  5. 前記光電子部品を提供するステップは、その上にワイヤバンプを形成するステップを含むものであり、前記集積回路を提供するステップは、その上にバンプを形成するステップを含むものであり、前記光学部品を提供するステップは、導電性のトレースを前記光学基板上に形成して、受動的に位置決めされた状態で前記光電子部品と前記集積回路を前記光学部品に接続するステップを含むものである、請求項1記載の方法。
  6. 前記光電子部品と前記集積回路とを前記光学部品に固定するステップは、異方伝導性の紫外線又は熱によって硬化する接着剤を前記光学基板上に施すステップと、組立のために前記光電子部品と前記集積回路を前記光学部品に配置するステップと、異方伝導性の紫外線又は熱によって硬化する接着剤を硬化させるステップとを含むものである、請求項1記載の方法。
  7. 前記電気基板を提供するステップは、
    前記光学部品よりも長い前記電気基板を提供するステップと、
    前記光学部品を前記電気基板に固定したときに前記光学部品を超えて伸長する導電性トレースをその上に形成するステップと
    を含むものであり、
    前記電気基板と前記光学部品とを固定するステップは、
    紫外線又は熱硬化性の接着剤を前記光学基板上に施すステップと、
    組立のために前記光電子部品と前記集積回路を前記光学部品に配置するステップと、
    前記紫外線又は熱硬化性の接着剤を硬化させるステップと
    を含むものである、請求項1記載の方法。
  8. 前記光電子部品と前記集積回路とに接触する放熱板を提供するステップを含む請求項1記載の方法。
  9. 前記光電子部品及び前記集積回路に接触している回路基板を提供し、導電性トレース、フィルタ、チャージポンプ、電圧レギュレータ、ミラー、プリズム、マイクロ機械部品、能動部品、受動部品、及びこれらの組み合わせから構成される群から選択された部品を該回路基板に関連付けるステップを含む請求項1記載の方法。
  10. 前記光学部品を提供するステップは、ウエハとして前記光学基板を提供するものであり、前記光電子部品と前記集積回路とを固定するステップは、複数の光電子部品と複数の集積回路をウエハとしての前記光学基板に固定するステップを含むものであり、ウエハとしての前記光学基板上の前記複数の光電子部品と前記複数の集積回路を試験するステップと、前記光学基板を切断するステップとを含む請求項1記載の方法。
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